MCNP入门教程(2)

2018-12-23 00:31

定义容器的底面和顶面需要两个垂直于Z轴的平面,分别位于Z=40和Z=60cm。类似地,为定义容器内部底面和顶面,还需要另外两个垂直于Z轴的平面,分别为Z=41,Z=59。这四个平面定义为: 2 pz 40 $ base of cask 3 pz 60 $ top of cask

5 pz 41 $ base of inner cavity 6 pz 59 $ top of inner cavity

这六个面的定义卡(或输入行)可以以任意顺序出现在输入文件的第二段。

问题的面定义完成之后,我们开始定义体积或栅元(cell)以填充所有的(x,y,z)空间。这些栅元的定义卡包含在输入文件的第一段内。首先,我们定义内部空腔为栅元8。该区域在面4负方向,平面5正方向,平面6负方向。因此,栅元8定义为:

8 0 -4 5 -6 IMP:N=0 IMP:P=1 $ inner cask void Cell定义卡的第一个数字为cell编号(由用户任意指定)。第二个输入0表示该栅元无任何材料,-4 5 6表示该栅元在圆柱面4内部且在平面5上方且在平面6下方。最后两个IMP分别定义该区域对中子和光子的重要性。在该栅元中中子权重为0而光子具有单元权重(例如,关于光子输运的问题)。我们将稍后讨论重要性(权重)的问题。交集序列的面是无序的。因而我们可以把栅元8定义为面的交集 -6 -4 5。

现在考虑铁外壳。假设该面的编号为7,材料编号为5(已另外定义),密度为7.86g/cm3。该栅元的空间在面一负方向,面2正方向,面3负方向,且除栅元8的空间之外。因而该栅元可以定义为: 7 5 -7.86 -1 2 -3 #8 IMP:N=0 IMP:P=1 $ iron cask shell

尽管“补”操作符#(非运算)可以很方便地实现内部区域的排除,但这个操作常常会降低MCNP的效率。实际上,理论上是可以不必用#的。栅元8之外的区域可以由并集序列(4:6:-5)来定义,栅元7可以定义为如下形式:

7 5 -7.86 -1 2 -3 (4:6:-5) IMP:N=0 IMP:P=1 $ iron cask shell

现在,假定栅元7和8描述了放射性输运的所有感兴趣空间。或者说,假定所有逃出该无限圆柱体空间的光子都将被终止,也就是说,将终止跟踪其路径。但仍然需要将该空间指定为一个栅元。进一步将该区域的光子权重设为0,任何进入该空间的光子将被终止。我们把这个“墓地”区域称为栅元9,它是面1正方向,面3正方向,面2负方向的并集。因此该区域定义为: 9 0 1:3:-2 IMP:N=0 IMP:P=0 $ graveyard

当然,该“墓地”区域也可以用补集操作符来定义,即指定为栅元7和栅元8之外的所有区域为终止区域,也就是

9 0 #(7:8) IMP:N=0 IMP:P=0 $ graveyard

注意到该栅元卡的第二个输入为0,指的是真空区域且光子权重设为0.

3 数据说明——第三段

该段输入卡定义粒子类型,材料,放射源,结果如何记录(tally),粒子反应的物理细节等级,降低方差技巧,截面库,输出的总量和类型等一系列问题。简单的说,第三段输入卡提供了除几何定义之外的几乎所有问题说明。

关于第三段命令的介绍在第II卷附录1-5到1-10提供。程序选项之后的理论细节在第二章第III节到第V节提供。第3章第IV节提供了问题输入卡的结构细节,第4章第IV节和第V节提供了源和结果处理的例子。

3.1 材料说明

MCNP运算中填充各个栅元的材料说明包含以下部分:(a)定义一个唯一的材料编号,(b)元素(或核素)组成,(c)所使用的截面库。

注意到此处并没有密度的说明。而是将密度说明放在栅元定义卡中。这就允许一种材料在不同的栅元中可以有不同的密度。假设问题输入文件中定义的第一个材料为轻水且只对γ射线输运感兴趣。注释卡(以C或者c开头的卡片)可以用来描述说明。在下面的卡片中,指定符号M1代表材料1.可能会用到复合的、非标准化的元素组分。例如,

c----------------------------------------------------

c water for gamma-ray transport (by atom fraction) c-------------------------------------------------------

M1 1000 2 $ elemental H and atomic abundance 8000 1 $ elemental O and atomic abundance

指定符号1000和8000定义了氢元素(Z=1)和氧元素(Z=8)。每个符号中的三个0是预留原子质量数,可在需要说明核素组分和中子输运的问题中,稍后讨论此问题。对于γ射线和电子输运,只需要指定原子叙述。对混合组分及混合物来说,组分可能需要说明为质量分数,用一个负号“-”指定,如下 c----------------------------------------------------

c water for gamma-ray transport (by mass fraction) c------------------------------------------------------- M1 1000 -0.11190 $ elemental H mass fraction 8000 -0.88810 $ elemental O mass fraction

如果确定质量分数/原子数组分一致的话,错误或警告信息可以忽略。

对中子输运的问题,常常还需要指定元素的核素(isotope同位素)组成。核素ZAID(Z A IDentification)编号包含6个数字ZZZAAA,其中ZZZ是元素原子序数,AAA是原子质量数A。因而235U的ZAID编号为092235或92235。如果想得到由某元素同位素组成材料的中子截面为自然丰度下的发生率,这时ZAID说明为ZZZ000。注意,这种组分的中子截面设置并非对所有元素都有效。常常需要你列出所有重要的核素。例如,中子问题中的轻水可以定义为:

c --------------------------------------------------------- c WATER for neutron transport (by mass fraction) c (ignore H-2, H-3, O-17, and O-18) c --------------------------------------------------------- M1 1001.60c -0.11190 $ H-1 and mass fraction

8016.60c -0.88810 $ O-16 and mass fraction

这里的1001和8016是按照ZAID格式定义指定元素的原子序数和原子量。给出的.60为指定的详细中子截面库中的数据。参考下边的3.2节。

当氢原子在水分子中结合,无论是纯净的还是与其他材料混合的,他们的结合能均要在经历与慢中子的碰撞中损耗掉。由于这个原因,

(以下部分为中子相关部分,这里不予翻译)

3.3源说明 在MCNP问题中,源和辐射粒子的种类是由SDEF命令详细指定的。SDEF有许多参数,可以定义问题中所有源的所有的特征。拥有各种变量的SDEF命令是复杂的MCNP指令的一部分,他可以产生难以置信的各种源---使用一个SDEF命令。而且在输入文件中只允许有一个SDEF卡。 在SDEF行,变量参数的值在表格二Table 2.中插入,除了默认值,还可以设定变量值来描述源。

与参考向量夹角的余弦值 参照向量 面法向的符号 位置抽样的参考点 半径或是到极轴的距离 对于栅元:沿矢量方向,到圆点的距离;对于曲面:与法向矢量夹角的余弦。 参照矢量 体元:除了各向同性的外是必须项;曲面:向量垂直于曲面,符号由NRM决定 X,Y,Z坐标 相同的栅元 面源的面积(对点探测器有直接贡献的面源是必须项) 粒子权重 位置抽样参考效率标准 放射源种类

符号=,是可以选择的项,所以PAR=1等价于PAR值为1。变量值可以在三个水平上指定:(1)明确的(例如,ERG=1.25),(2)带分配系数(例如,ERG=d5),(3)用作其他参数变量的函数(例如,ERG=Fpos)。在第二和第三层次上设定变量,要使用其他三个源卡:SI(Source Information)卡,SP(Source Probabilities)卡,SB(Source Bias)卡。 第三章D部分提供了SDEF命令和参数的使用的完整说明。这是一本简捷的写作章节,对于初学者而言,理解他的所有的特征和微妙之处比较困难。作为MCNP使用者获得使用经验,这些应该周期性的重复阅读。每次阅读都会对SDEF命令有新的理解和感受。 MCNP使用手册的第四章有关于复杂源的各种实例。那很值得学习。然而我经常使用很简单的源,而

MCNP手册中没有提供这样的实例。读了许多类似第三章描述源的命令和选项的资料,有时就是做一些相当简单的操作。下面是一些相对简单源定义的实例,这可能对你在学习MCNP的过程中更好的理解如何定义源。 当定义新的源的过程中,MCNP总是检查和核对源发射的粒子是不是在设想的地方产生。HINT:总是使用VIOD(真空)卡和PRINT 110卡来说明输入文件的第三部分(block 3)。PRINT 110控制发出位置、方向和优先的50个粒子的能量,这些均在输出文件里显示。检测这个给出的表格,确信粒子在设想的地方产生。

3.3.1 各向同性(isotropic)点源

不同位置的两个各向同性点源

c ----- Source: two point isotropic 1-MeV photon sources on x-axis(两个各向同性的1-MeV光子源在X轴上) SDEF ERG=1.00 PAR=2 POS=d5 $ energy, particle type, location(能量,粒子类型光子,位置) SI5 L -10 0 0 10 0 0 $ (x,y,z) coords of the two pt sources(两个点源的纵横坐标) SP5 .75 .25 $ relative strengths of each source(每个源的相对强度)

离散能量光子的各向同性的点源

c ----- Source: point isotropic source with 4 discrete photon energies(4个离散光子能量的各向同性点源) SDEF POS 0 0 0 ERG=d1 PAR=2 (位置、能量、粒子类型)

SI1 L .3 .5 1. 2.5 $ the 4 discrete energies (MeV)(4种能量MeV) SP1 .2 .1 .3 .4 $ frequency of each energy(每种能量发射的频率)

拥有柱状能量分布的各向同性点源

c ----- source: point isotropic with 4 histogram energy bins(4种柱状能量区间的各向同性点源) SDEF POS 0 0 0 PAR=2 ERG=d1 $ position, particle type, energy(位置,粒子类型,能量) SI1 H .1 .3 .5 1. 2.5 $ histogram boundaries(柱状图分界)

SP1 D 0 .2 .4 .3 .2 $ probabilities for each bin(每个能量区间的概率)

拥有连续能量分布的各向同性点源

c ----- source: point isotropic with Maxwellian energy spectrum(拥有麦克斯韦能谱分布的各向同性点源) SDEF POS 0 0 0 PAR=2 ERG=d1 $ position, particle type, energy(位置,粒子类型,能量) SP1 -2 0.5 $ Maxwellian spectrum (2) with temp a=0.5 MeV()

两个不同能量分布的各向同性点源

c --- 2 pt iso sources: src 1 (4-bins) src 2 (4 discrete Ei)(两个能量类型源:1个包含4个能量区间,一个包含4种离散的能量)

SDEF PAR=2 POS=d1 ERG FPOS d2(粒子类型,位置,能量是位置的函数FPOS=function position) SI1 L -10 0 0 10 0 0 $ coords of srcs on x-axis(X轴上位置纵横坐标) SP1 .4 .6 $ rel strengths of sources(源相对强度) DS2 S 3 4 $ energy distributions(能量分布) SI3 H .1 .3 .5 1. 2.5 $ E bin limits src 1(1号源能量区间边界) SP3 D 0 .2 .4 .3 .2 $ bin prob for src 1(1号源区间概率)

SI4 L .3 .5 .9 1.25 $ discrete Ei for src 2(2号源不连续能量分布) SP4 .20 .10 .30 .40 $ rel freq for src 2(2号源相对频率)

3.3.2各向同性体源

平行于坐标轴的长方体

c --- volumetric monoenergetic source inside a rectangular parallelepiped(单能体源在长方体中) SDEF X=d1 Y=d2 Z=d3 ERG=1.25 PAR=2(位置,能量,粒子类型) SI1 -10. 10. $ x-range limits for source volume(体源X方向取值范围) SP1 0 1 $ uniform probability over x-range(在x范围相同的概率)


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